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铝制板翅式换热器封头大开孔的补强计算
崔 辉,黄明群
〔法孚低温设备(苏州)有限公司,江苏省苏州市太仓港港口开发区达港路88号 215434〕
摘要:简述板翅式换热器封头大开孔补强计算的几种近似方法,结合实例,阐述铝制板翅式换热器封头大开孔的补强计算与校核,提出复杂结构的封头应采用应力分析。
关键词:铝制板翅式换热器;封头;开孔补强;有限元应力分析
中图分类号:TB657·5 文献标识码:A
1·铝制板翅式换热器封头简介
铝制板翅式换热器是一种新型、高效能换热器,其比重小,比热大,单位体积内换热面积是其他换热器的几十倍甚至几百倍,因此在空分设备、石油化工及天然气等深冷领域的应用非常广泛。换热器芯体采用堆栈结构(如图1所示),单台芯体高度在1000~1500 mm之间,封头负责将管路系统中的流体均匀分布至各换热通道,结构比较特殊,两端的侧板需将通道口包含在内,一般封头较长。为保证流体的流速、压降及各通道流体分配均匀,封头上的接管直径较大,通常开孔率ρ(ρ=di/Di,di为接管内径,Di为封头内径)大于0·6,甚至达到0·85~0·9,这些大开孔封头补强计算过程比较复杂。
2·补强计算
常规压力容器强度设计计算采用文献[1]或文献[2]中的公式,以材料力学、板壳理论为基础,并引入应力最大系数和形状系数。补强计算是基于等面积补强理论,利用封头和接管的有效厚度减去计算厚度多余的面积用于开孔补强,其力学意义是:
(1)沿壳体经线方向补强范围:文献[1]中规定此范围B=2d。这是依据受均匀拉伸作用的开小孔大平板,其孔边局部应力集中的衰减范围确定的。
(2)沿接管轴线方向补强范围:文献[1]中规定此范围:
(δnt为接管名义厚度)。这是依据圆柱壳在端部均布载荷作用时,柱壳中局部环向薄膜应力的衰减范围确定的[3]。但文献[1]规定:开孔率都是小于等于0·5,当开孔率大于0·5时,孔边会存在较大的弯曲应力,且存在局部结构不连续,偏离薄膜状态过大。此时必须考虑筒体的曲率影响,原力学模型不再适用,故不能适用。推荐采用分析设计、验证实验分析、对比经验试验。
文献[4]中规定:当时,开孔率可适当加大,但不超过0·8,是基于压力面积补强理论。该理论是以开孔有效补强范围内的金属截面积的承载能力与内压力载荷相平衡为准则。但全国锅炉压力容器标准委员会于10年前曾发文表示,如使用该方法进行补强计算,最大开孔率只能到0·7;如开孔率超过0·7,该计算方法不予认可,必须采用应力分析方法,如采用有限元分析,文献[4]的公式只能作为近似计算。
文献[5]中“1-7”规定:径向接管的开孔超出“UG-36 (b) (1)”(D≤1500 mm时,ρ最大为1/2;D>1500 mm时,ρ最大为1/3,且开孔直径不大于1000 mm)的限制,且同时满足下列要求:①容器直径大于1500 mm;②接管内直径超过1000 mm,且超过③比值Rn/R不超过0·7。此时需要计算薄膜应力Sm,Sm不应超过设计条件下所规定材料的S值(最大许用应力);计算最大组合应力(薄膜应力Sm和弯曲应力Sb)不应超过设计条件下所规定材料的S值的1·5倍,以及计算内外部载荷组合应力。文献[5]建议:用较厚的筒节或在开孔处局部插入较厚的筒节可得到较好的补强效果。对于接近容器直径的大开孔、形状特殊的开孔等极端情况,建议进行适宜的验证性试验。一般情况下,换热器封头开孔率ρ>0·5,但封头直径和接管直径均小于上述①和②的要求。实际工作中笔者与ASME检验师曾讨论过该项规定(U-2 (g)),补强计算仍以“UG-37”中的公式进行计算,补强范围通过“UG-40”和“1-7 (a)”确定。因为文献[5]是美国标准,在采用国内标准的产品设计中,只能用国家强制(GB)和推荐(GB/T)的标准,因此文献[5]的公式也只能作为近似计算,其中的许用应力值、焊缝系数应在国家标准中选用。
文献[2]和文献[6]提供了一套较为完整的以弹性应力分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的设计方法,分析设计是工程和力学紧密结合的技术,不仅解决了压力容器常规设计所不能解决的问题,而且与常规设计相比,分析设计更具科学性和安全性,也是容器设计观念与方法上的一个飞跃。在分析设计中考虑各种载荷条件可能的组合,以弹性力学薄壁理论为基础进行分析计算,将应力根据其起因、来源、作用范围、性质和危害程度进行分类,根据塑性失效准则、弹塑性失效准则和疲劳失效准则,采用最大剪应力理论来确定受压元件的尺寸。分析设计中,确定受压元件的应力可采用有限单元法、板壳理论的解析法或实验应力实测法。但分析时需预先确定受压元件的所有尺寸,如计算中发现结果不满足强度要求,则调整尺寸重新计算,工作量较大。通常用于重量大、结构复杂、操作参数较高以及需要疲劳分析的压力容器设计。因为封头结构特殊,应采用分析设计。
3·计算与校核
以下通过几种近似计算方法,对一换热器封头的开孔补强(承压件壁厚计算略)进行校核:设计压力P=0·7 MPa;设计温度t=65℃/-195℃;封头内径Di=544 mm;接管内径di=390 mm;封头、接管材料5083-H112 (《一般工业用铝及铝合金板、带材 第2部分:力学性能》(GB/T3880·2—2006));许用应力[σ]=68 MPa;封头、接管厚度δ=δt=8 mm;壁厚附加量C=C′=0·5 mm;接管外伸长度H=254 mm;封头长L=1436 mm。
该封头采用铝板卷制,接管采用铝板卷制后焊接,接管采用安放式,壁厚附加量在封头和接管外侧,开孔率ρ=di/Di=390/544=0·72,文献[1]和文献[4]中的公式已不再适用。
3·1 采用文献[4]的公式作近似计算
(1)补强范围的计算:
可见,开孔补强近似计算是合格的。
3·2 用文献[5]的公式计算
(1)补强范围的确定:
平行于封头方向,取大值d′=max (3/4d,Rn+t+tn) =max (3/4×390, 195+8-0·5+8-0·5) =292·5 mm
垂直于封头方向,取小值d″=min (2·5t,2·5tn+te) =min (2·5×(8-0·5), 2·5×(8-0·5) +0) =18·75 mm
(2)补强所需面积2/3A计算(tr=2·82 mm,tn=7·5 mm,F=1, fr1=1):
A=dtrF+2tntrF (1-fr1) =390×2·82×1+2×7·5×2·82×(1-1) =1099·8 mm22/3A=2/3×1099·8=733·2 mm2
(3)实际多余面积计算:
壳体有效补强面积A1(已知E1=1),取大值:
A1=max (d′(E1t-Ftr) -2tn(E1t-Ftr)(1-fr1), 2 (t+tn) (E1t-Ftr) -2tn(E1t-Fti)(1-fr1)) =max (292·5×(7·5-2·82) -2×7·5×(7·5-2·82)×(1-1), 2×(7·5+7·5)×(7·5-2·82) -2×7·5×(7·5-2·82)×(1-1) =max (1368·9, 140·4) =1368·9 mm2外伸接管的有效补强面积A2(已知fr2=1,trn=2·13 mm),取小值:
A2=min (5 (tn-trn)fr2t, 5 (tn-trn)fr2tn)=min (5×(7·5-2·13)×1×7·5, 5×(7·5-2·13)×1×7·5) =min (201·38, 201·38) =201·38 mm2
内伸接管的有效补强面积A3,取小值。该封头内伸长度为0,所以A3=0。
外部焊缝的有效补强面积A41,内部焊缝的有效补强面积A42(焊脚高=6·35 mm):
A41=焊脚高2/fr2=6·352/1=40·32 mm2A42=0
焊缝补强A4:
A4=A41+A42=40·32 mm2
实际多余面积:
A1+A2+A3+A4=1368·9+201·38+0+40·32=1610·6 mm2>2/3A(733·2 mm2),所以近似开孔补强足够。
3·3 采用有限元应力分析
采用ANSYS软件对开孔部分进行局部有限元应力分析,建模步骤如下: STRUCTURAL→SHELL→8NODE93→LINEAR→ELASTIC→ISOTROPIC→EX=68200→PRXY=0·33,将已知条件(封头、接管厚度)应用到建模中,得到的应力云图如图2所示。
由图2可以看出,应力最大处在封头经线方向与接管直角过渡处,即图中黑色显示部位,且最大应力处于容器内壁,根据文献[7]中“一次加二次应力强度SIV的许用极限为3Sm”,“仅仅由接管外端位移受限制引起的薄膜加弯曲应力强度应小于或等于3Sm”,文献[6]中“根据局部应力(PL)的规定,在局部薄膜应力区,Pm当属于PL”,该封头SIV=PL+Pb+Q=183·348 MPa<3Sm(3×68=204 MPa),因此该封头开孔补强满足要求(注:以上通过壳体SHELL建模,底边约束;还可以通过实体SOLID建模,底面约束,设计者可自行选择)。实际设计工作必须包括应力分析报告书,且应条理清楚,论述正确,有SAD设计、审核两级签字或自行设计并由全国锅炉压力容器标准化技术委员会评定、认可。
4·结 论
安全是压力容器设计的最基本要求,压力容器必须保证能够安全运行,其中开孔补强设计占很大比重。符合常规设计的容器可以通过标准公式计算保证安全,但标准是最低要求,当容器结构复杂或标准不能涵盖的,建议使用应力分析或验证性试验。铝制板翅式换热器封头多为不规则结构,其中有大开孔、切向开孔、偏心非径向接管、斜接管、局部区域多个开孔等(详见ALPEMA或NB/T47006),实际工作中可以采用承压件计算(文献[1]中内压圆筒计算公式(5-1))和标准的开孔补强近似计算作为参考,以确定封头接管厚度,这是易于实现且行之有效的方法。以上近似计算可通过软件(SW6或手工编程的小软件)计算,可减少重新调整尺寸再计算的工作量和工作时间。考虑到铝合金刚度不足,虽然设计选用铝板厚度余量较大,但考虑到铝制板翅式换热器封头结构的复杂性与低温的恶劣工况,因此强度设计应以应力分析报告为设计依据。
参考文献:
[1]GB 150—1998.钢制压力容器[S].
[2]JB/T 4734—2002.铝制焊接容器[S].
[3]李世玉.压力容器设计工程师培训教程[M].北京:新华出版社, 2005.
[4]HG 20582—1998.钢制化工容器强度计算规定[S].
[5]ⅧDivision 1 Rules for Construction of Pressure Vessels—2010 AMSE Boiler
and Pressure Vessel Code [S].
[6]李建国.压力容器设计的力学基础及标准应用[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[7]JB/T 4732—1995.钢制压力容器—分析设计标准[S].
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